分析大跨度桥梁钢箱梁疲劳裂缝特征及检测技术

孙海东，王旭

（江苏润扬大桥发展有限责任公司，南京 210000）

1 引言

当公路桥梁的应用疲劳程度达到一定程度时便会产生各类裂缝，构成严重的安全隐患。例如，钢箱梁桥梁的 U 肋在车辆荷载作用下非常容易产生疲劳裂缝。因此，必须针对桥梁疲劳裂缝采取相应的检测措施，查明裂缝的形成原因，并且制定科学合理的防治措施，这样才能保证大跨度桥梁的应用效率，提高桥梁的安全性。

2 大跨度桥梁钢箱梁疲劳裂缝检测技术

大跨度桥梁钢箱梁具有强度高且稳定性良好的特点，近年来在道桥施工中得以广泛应用，同时也是当前我国桥梁工程中的主要截面形式。然而，在交通运输需求不断提升的过程中，越来越多的超载车辆对钢箱梁的应用效果造成了严重影响，这其中以疲劳裂缝问题最为严重。如果未能及时检测与修复，不仅会影响桥梁的正常运营，还会导致桥梁倒塌事故。因此，桥梁裂缝检测技术的重要性愈加明显，当前针对疲劳裂缝的检测通常分为无损检测与有损检测 2种。其中，无损检测技术主要包括磁粉检测、渗透检测、射线检测、涡流检测以及超声波检测等。采用磁粉与渗透检测方式时主要针对桥梁表面裂缝，超声波检测技术重点针对桥梁内部结构与裂缝情况进行检测，具有较高的应用价值[1]。

3 工程案例

3.1 工程概况

为进一步验证钢箱梁疲劳裂缝检测技术的应用效果，本研究以江苏某公路大桥为例，该大桥为3跨连续全漂浮钢箱梁桥梁，跨径组合为 240m+650m+232m，桥梁宽度为 36.2m。钢箱梁采用正交异性钢桥面板，桥面板厚度为 14mm，U 肋板厚度为 6mm。通过对该桥梁的实际运行情况了解可知，该桥梁当前承受了较大的交通运输压力，而且日均流量已经超出正常范围的1倍以上。

3.2 钢箱梁疲劳裂缝调查

本研究中在开展过程中，针对案例桥梁进行全面的钢箱梁例行检查，发现该桥梁存在8处疲劳裂缝。从裂缝分布的位置来看，该桥梁的裂缝主要存在于重车道与混合车道的轨迹带附近，而且在顺桥方面，尤其是在 U 肋隔板出也大量疲劳裂缝，该桥梁钢箱梁疲劳裂缝的分布比例情况如表1所示。

3.3 疲劳裂缝的表现形式

通过对该桥梁钢箱梁存在的疲劳裂缝类型进行细致化分，具体可以归纳为以下几类情况：（1）U 肋与桥面之间的疲劳裂缝；（2）U 肋总隔板末端的裂缝；（3）横纵隔板区域内的裂缝；（4）U 肋焊接区域产生的裂缝。

表1 案例桥梁钢箱梁疲劳裂缝分布情况

3.4 钢箱梁疲劳裂缝的形成原因

对该桥梁的疲劳裂缝进行分析，形成原因具体如下：

1）U 肋与桥面板角之间的疲劳裂缝。在长期超负荷的运行过程中，钢箱梁内部结构与应力情况会发生改变，并且最先反映到 U 肋与桥面板角的连接区域，由于这类裂缝附带一定的连续性，不仅会导致桥梁外部变形，同时还会造成焊跟处开裂。随着刚度的不断提升，次弯曲应力也会随之增加，最终构成母材发生剪切破坏[2]。

2）U 肋嵌补段疲劳裂缝。由于 U 肋嵌补段都是采用人工后焊方式进行作业，这样虽然能够满足钢箱梁的应用曲线需求，但是焊缝较短，这样会对整体结构稳定性造成影响。从力学角度进行分析，能够看出 U 肋与面板之间的弹性支承主要集中在连续梁中，当桥梁中的移动荷载不断增加时，纵向 U 肋会将压力转嫁到连续梁中，当连续梁产生变形势必会造成疲劳裂缝的出现，最后导致疲劳裂缝侵入母材，造成钢箱梁表面与内部同时存在裂缝的情况。

3）纵隔板末端疲劳裂缝。在大跨度桥梁钢箱梁的制造安装过程中，纵隔板末端通常需要与横隔板连接在一起，同时还要保证纵隔板的高度超过 30cm，这样便会造成横隔板的个别区域存在高度凸起的现象，进而造成整体协调性失衡的局面，这样在大量超负荷的运输荷载下，钢箱梁内部原本的应力分散方式也会变化。由于局部的刚度突变，在焊接处会产生相应的应力集中问题，久而久之便会产生疲劳裂缝。因此，在针对纵隔板末端疲劳裂缝进行处理时，还要搭配相应的加固技术，这样才能促进钢箱梁桥面的整体稳定程度。

4 大跨度桥梁钢箱梁疲劳裂缝的解决措施

4.1 常规解决措施

在解决大跨度桥梁钢箱梁疲劳裂缝时，首先可以采用常规的处理措施，也就是针对焊接裂缝进行修复，如 U 肋与桥面板角焊接、U 肋嵌补焊接裂缝等，可以采用常规焊接工艺技术对裂缝区域进行处理，同时还要根据位置的不同，针对焊接层数进行科学调整。可以采用表面磁粉检测技术，当明确疲劳裂缝位置时，根据钢板的厚度确定止裂孔，以此来阻止焊接过程中的裂开现象，可以有效避免裂缝的延伸。

在处理开裂焊缝时，可以采用角焊方式直接对母材进行重新焊接，在处理嵌补段裂缝时可以采用 V 形坡口焊接方式，将坡口角度调整为约 40°，在焊接过程中还要预留一定的间隙。此外，还可以采用二氧化碳保护焊的方式，选择 3Y 级药芯作为焊丝，针对嵌补段进行焊接处理，并且与3层3道焊接工艺技术相结合，这样可以有效保证 U 肋的应用质量，以此来强化大跨度桥梁钢箱梁的运行效果。

4.2 特殊解决措施

当桥梁钢箱梁中的疲劳裂缝情况比较特殊时，这时还要采取特殊解决措施。对于钢箱梁中比较罕见的焊接裂缝，如纵隔板末端裂缝等，整体处理技术方式较为复杂，由于这种裂缝情况多出现在钢箱梁底部与面板中，因此，在针对裂缝进行处理时还要搭配相应的加固措施，这样才能强化裂缝处理效率。具体操作如下：

1）当横隔板与纵隔板之间的间距数值为 10～60cm时，为保证裂缝修复作业的施工环境，可以先针对纵隔板末端进行切割处理，等到焊接作业完毕后对切割区域进行修复；

2）采用磁粉探伤时，要先明确疲劳裂缝的起点与终点，根据钢板厚度预设止裂孔，顺着裂缝方向进行开槽，在开槽作业完毕后可以再次进行裂缝检测，这时结合超声波内部检测技术可以对钢箱梁内部结构进行准确检测，这样能够针对各类潜在裂缝进行修复与处理；

3）在疲劳裂缝处理完毕后，还要针对纵隔板末端进行加固作业，这样可以使钢箱梁底板与桥梁之间整体结构稳定性得到提升，进而缓解钢板的应力集中现象。

5 结语

综上所述，大跨度桥梁钢箱梁在长期应用中会形成各类疲劳裂缝，如果未能及时采取正确的处理措施，不仅会造成经济损失，还会对行车安全构成严重隐患。因此，在针对超载车辆严格管控的同时，还要对大跨度桥梁采取科学合理的疲劳裂缝检测技术，这样才能科学延长桥梁的使用寿命。